Shaun Murphy est un jeune docteur autiste savant. Atteint du syndrome d'Asperger, il est doté d'une très grande intelligence, mais a également beaucoup de difficultés à communiquer et à gérer les interactions sociales. Rêvant de devenir chirurgien, il intègre en tant qu'interne le prestigieux Saint Bonaventure Hospital de San José où il est soutenu par le docteur Aaron Glassman, son mentor depuis l'âge de quatorze ans. Celui-ci met son poste de directeur de l’hôpital en danger pour l'engager. Débordant d'optimisme, Shaun suscite vite de l'admiration, mais apprend aussi à surmonter les préjugés de ses pairs sur son TSA, en prouvant ses compétences. Confronté à des dilemmes, il relève en permanence le défi de ces cas stimulants.